陳亮

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

管道輸水工程開槽穿越河流的開挖及降排水研究

陳亮

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

河流穿越工程成功與否的關(guān)鍵工作是施工導(dǎo)流與施工期降排水。遼河穿越工程施工，采用挖掘機結(jié)合挖泥船的開挖方案，在保證效率的同時降低了成本；采用井點降水的方式，在理論計算的基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗，合理確定井點降水參數(shù)，成功在2.5 km的河床內(nèi)實現(xiàn)全部干地施工；通過科學(xué)合理的導(dǎo)流、降水、開挖方案，成功壓縮工期4個月，節(jié)約建設(shè)成本約300萬元。

管道輸水工程；穿越河流；挖泥船開挖；井點降水

1 工程概況

河流穿越工程作為各類線性工程的組成部分，決定著工程的建設(shè)工期與經(jīng)濟效益，甚至整個工程的成敗，而河流穿越工程的施工期降排水是決定整個工程成敗的關(guān)鍵。某工程穿越遼河段，位于遼寧省沈陽市法庫縣境內(nèi)，屬于遼河中游地區(qū)。工程從東至西穿越遼河，工程樁號C093+533.6—C096+050，線路長2.5 km，設(shè)計采用4根直徑3.2 m的鋼管同槽布置，鋼管外包鋼筋混凝土。主河床寬度為170 m，其余皆為灘地施工。鋼管單節(jié)長度12 m，重24 t/節(jié)，焊接接口。

管道工程穿越河流的方式，主要分開槽施工和不開槽施工兩大類，該工程根據(jù)工程實際并結(jié)合投資評價，采用開槽施工方式。

2 水文氣象及地質(zhì)條件

工程所在地區(qū)多年平均氣溫為6.8℃，最高氣溫為35.9℃，最低氣溫為-30.5℃。最大凍土深度大于1.50 m。遼河枯水期汛后流量為229 m3/s。

管道斜穿河道，地貌單元為河漫灘地貌，主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積組成，地勢開闊，地形起伏較大，地面高程67.0～72.5 m，在穿越段附近，河流成S形流向下游側(cè)，分別于左岸穿越段的下游側(cè)及右岸穿越段的上游有河道變化形成大型河灣水域與主河道相連；河道兩側(cè)建有防洪堤壩。

地下水位埋深為2.6～3.0 m，河床與河道兩側(cè)地下水位標(biāo)高相差不大。地下水類型為第四系孔隙潛水，主要接受大氣降水及地表水補給，并以地下水徑流的方式排泄于下游，主要含水層為粉細砂層，中等透水性，洪水期河水補給地下水。2013年8月16日特大洪水后，地下水埋深明顯提高，目前實測埋深約為1.2 m。

飽和粉細砂地層施工中易產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象，并且具有高度的靈敏度、觸變特性，極易造成沉降過大或塌方現(xiàn)象。

遼河主河床段與管線穿越段橫斷面地形相對河灘部分略低，最大高差為3 m，最小高差為1 m，斷面有不規(guī)則起伏，河床斷面最大通水量為220 m3。

3 施工降排水

3.1 溝槽降排水

地下水控制工程的主要方法有基坑明溝排水、輕型井點降水、噴射井點降水、電滲井點降水、深井井點降水等幾種。該工程結(jié)合實際情況，選擇輕型井點降水作為主要降水措施。

輕型井點降水系在工程處圍豎向埋設(shè)一系列井點管深入含水層內(nèi)，以連接管與集水總管連接，再與真空泵相連，進行抽水，使地下水位降低到基坑底以下。主要設(shè)備由井點管、連接管、集水總管及抽水設(shè)備等組成。該法具有機具設(shè)備較簡單，使用靈活，裝拆方便，降水效果好，可防止流砂發(fā)生提高邊坡穩(wěn)定，降水費用較低等優(yōu)點。[7]

重要的參數(shù)有滲透系數(shù)、井點布置、埋置深度、涌水量計算等，下面分別予以簡要介紹。

3.1.1 滲透系數(shù)

根據(jù)建筑施工計算手冊表3-1,結(jié)合工程的地質(zhì)條件，滲透系數(shù)K值在1～20 m/d之間，結(jié)合施工經(jīng)驗，該工程取6 m/d。

3.1.2 井點布置

根據(jù)基坑平面形狀與大小、地質(zhì)和水文情況、工程性質(zhì)、降水深度等而定。當(dāng)基坑（槽）寬度小于6 m，且降水深度不超過6 m時，可采用單排井點，布置在地下水上游一側(cè)；當(dāng)大于6 m或土質(zhì)不良、滲透系數(shù)較大時，宜采用雙排井點，布置在基坑（槽）的兩側(cè)。[7]

結(jié)合施工現(xiàn)場情況，該工程為單排布置，間距6 m，管徑30 cm。

3.1.3 埋設(shè)深度

工程溝槽最深13 m，要求地下水位降到槽底0.5 m以下，且基槽遠離井點一側(cè)要求降深低于開挖基底不少于0.5 m，綜合考慮最小降深為13.5 m。

管井的埋置深度應(yīng)根據(jù)降水深度及含水層所在位置決定，一般必須將濾水管埋入含水層內(nèi)，并且比開挖基坑（溝、槽）底深0.9～1.2 m以上。

式中：H——井點管的埋置深度，m；H1——井點管埋設(shè)面至基坑底面的距離，取13 m；h——基坑中央最深挖掘面至降水曲線最高點的安全距離，一般為0.5～1.0 m；L——井點管中心至基坑中心短邊距離，m；i——降水曲線坡度，與土的滲透系數(shù)、地下水流量等因素有關(guān)，根據(jù)工程實測確定位0.3；l——濾水管長度，取2 m。

H計算出后,為安全計，再增加1/2濾管長度。井點管露出地面高度，一般取0.2～0.3 m。經(jīng)計算，H≥20.7 m，取H=21 m。

3.1.4 涌水量計算

根據(jù)建筑施工計算手冊，基槽滲水量：

式中：Q——單井涌水量；K——滲透系數(shù)；H0——有效帶深度；R——抽水影響半徑；S——水位降低值；X0——井點的半徑。

根據(jù)設(shè)計圖紙可知，馬道處降水管井所覆蓋的溝槽寬度約36.5 m，溝槽長度暫定為100 m，實際開挖時根據(jù)開挖長度延長管井布置位置即可。開挖溝槽的長寬比小于5，故可以將開挖溝槽假想成為半徑為X0的大井，X0=（36.5×100÷3.14）×0.5 =34.1 m。經(jīng)計算，Q=6 321 m3/d。

3.2 抽水設(shè)備選擇

管井井點降水每一個管井單獨用1臺水泵進行抽水以降低地下水位。由于工程降水深度較大，考慮到潛水泵安裝簡便、耗能少、效率高、成本低，可采用深井泵式潛水泵。根據(jù)管井井點的進水量，選用潛水泵型號為150QJ32－30。

3.3 打井強度分析

馬道開挖完成后，在馬道上開挖降水管井，管井間距為6 m，深度16 m，直徑30 cm，粉細砂部位采用粘土封口，膨潤泥漿固壁成井。300 m溝槽共102眼井，根據(jù)以往經(jīng)驗，單臺打井機施工強度為4眼/d。投入5臺打井機用時5.2 d即可完成打井任務(wù)，實際安排7 d。

3.4 注意事項

由于溝槽上開口較寬，溝槽四周地下水位比較高，在整個施工過程中不間斷有帶壓水流向開挖面，因此施工降水應(yīng)從挖泥船開挖完第二層上岸后開始，持續(xù)到分段回填施工結(jié)束。在該過程當(dāng)中，注意馬道處井點降水速度大于基坑底部降水，這樣可以保證地下水滲透壓力不會作用在溝槽邊坡上，從而保證溝槽邊坡穩(wěn)定。

4 溝槽開挖

4.1 穿越段施工斷面設(shè)計

遼河穿越段溝槽開挖深度為8～12 m，溝槽分兩層布置，溝槽底層開挖高度為5 m，開挖坡比動荷載一側(cè)1.00∶1.75，靜荷載一側(cè)開挖坡比為1.0∶1.5；溝槽底層上口寬34.5 m，兩側(cè)各預(yù)留2 m寬的馬道，溝槽頂層開挖高度為3～6 m，開挖坡比動荷載一側(cè)1.00∶1.75，靜荷載一側(cè)開挖坡比為1.0∶1.5，溝槽頂口約寬59.3 m。穿越輸水管線為4× DN3200鋼管，管道設(shè)計壓力為1.6 MPa，管間距為4 m，管線路長2 260 m，單節(jié)供應(yīng)長度12 m，重24 t/節(jié)?；A(chǔ)為10 cm厚C20混凝土墊層，鋼管360°外包C30混凝土（直徑處50 cm厚）；樁號C93+615.1～C94+890和樁號 C95+067～C95+911為河灘部分，樁號C94+890～C95+067為主河床部分。斷面設(shè)計圖見圖1。

溝槽土方開挖按照300 m一個循環(huán)進行開挖，具體開挖分為3層，表層0.5 m部分土方開挖，采用挖掘機開挖，裝載機運輸至表層土的堆土區(qū)。

圖1 管線穿越縱斷面設(shè)計圖

4.2 第一層開挖

1）平面布置

采用2臺液壓反鏟將開挖溝槽處的剝離表土以下4 m部分，沿縱向退挖甩土出槽后，再用裝載機運至堆土區(qū)。 第一層開挖后初步形成的開挖溝槽，在溝槽蓄水后，為第二層挖泥船開挖創(chuàng)造下水作業(yè)條件。

2）功效分析

第一層開挖配備為3臺1.6 m3挖掘機和5臺ZL50裝載機。開挖深度4 m，開挖方量61 200 m3。采用挖掘機開挖、裝載機將開挖土倒運至堆土區(qū)，推土運距最大140 m、最小100 m。

裝載機每天工作20 h可運土1 528 m3，5臺裝載機用時8.29 d可運輸完成；挖掘機每天工作20 h，可挖土3 440 m3土方，3臺挖掘機5.9 d可完成開挖。施工周期按照9 d安排，平均每天開挖33 m。

4.3 第二層開挖

第二層開挖至溝槽底高程以上1 m，該層開挖高度6 m，溝槽深度按管道埋深6 m覆土考慮。主要采用挖泥船開挖，輔以挖掘機開挖，挖泥船開挖時預(yù)留馬道部分和邊坡開挖不到設(shè)計開挖邊線的部分采用挖掘機開挖整修到位。

1）挖泥船

穿越遼河土方開挖采用挖泥船開挖，挖泥船也可叫作抽沙平臺,是指利用水力的作用,將高壓水槍噴射出的水柱沖起的淤泥（或細沙、海沙等）在水泵的作用下由管道輸送到目的地，船與抽沙設(shè)備一體，成本低、效率高，能從水下0～30 m抽沙；易可破泥層，從深水中提取泥砂。絞吸挖泥船具有挖掘、輸送和沙漿處理各個工序一次性完成的能力，能夠進行連續(xù)抽砂作業(yè)。

挖泥船在該層開挖過程中主要作用是降水和開挖最中間部位（運距最遠）的土方，為了避免挖泥船開挖時造成邊坡塌方和超欠挖現(xiàn)象，開挖邊線略小于設(shè)計開挖邊線，開挖邊坡為1∶1，一個標(biāo)準(zhǔn)段長度為300 m。挖泥船布置見圖2。

圖2 挖泥船斷面布置示意圖

2）液壓反鏟修整邊坡

挖泥船在進行第二層土方開挖時，挖泥船開挖每層開挖深度為2 m左右，基坑水位隨著開挖高程降低而降低，即當(dāng)進行挖泥船第二層開挖時，其第一層開挖2 m邊坡已經(jīng)裸露出來，由于挖泥船開挖基坑高程低于裸露邊坡，所以土壤中的地下水也滲透至開挖基坑中，裸露邊坡地下水含量比較低，此時采用傳統(tǒng)土方設(shè)備開挖，最終形成設(shè)計開挖斷面，見圖3。

圖3 邊坡修整斷面布置示意圖

3）功效分析

該工序使用1700型挖泥船型挖泥船開挖。根據(jù)以往施工經(jīng)驗和廠家提供指標(biāo)可知，一臺挖泥船開挖強度為設(shè)備功率20%，由此可以及時每天工作20 h，1700型挖泥船日開挖6 800 m3/d。第二層開挖方量為52 500 m3，1臺挖泥船用時7.8 d即可完成開挖?？紤]設(shè)備檢修等影響因素，該工序?qū)嶋H施工安排12 d。

邊坡整修開挖方量為4 920 m3，1臺挖掘機用時1.5 d即可完成開挖。邊坡開挖和修整作業(yè)基本與挖泥船同時進行，不占用總的直線工期，僅占用緊后工期。此工序使用挖掘機開挖和裝載機倒運，溝槽兩側(cè)各用2臺挖掘機開挖，每2臺通過倒運，其功效等于1臺，另外2臺分別位于堆土區(qū)用于堆土，可以滿足開挖強度要求。

4.4 第三層開挖（基底整修）

挖泥船開挖溝槽時，出于對基礎(chǔ)底部的保護，溝槽底部留有1 m厚的土體，當(dāng)采用井點降水達到溝槽底部0.5 m以下時，此時采用液壓反鏟結(jié)合裝載機等設(shè)備，開挖邊坡下半部分和溝槽底部，最終形成設(shè)計斷面?；撞糠珠_挖土通過裝載機運輸?shù)綔喜鄣囊欢祟^。在溝槽端頭通過挖掘機進行倒運，運至溝槽上開口開挖邊線以外。

4.5 土方開挖總結(jié)與注意事項

采用土方設(shè)備和挖泥船結(jié)合作業(yè)，不但可以提高開挖速度，減少土方倒運量，降低施工成本，同時還可以有效控制開挖成形的控制，有效控制超挖，杜絕出現(xiàn)欠挖。

施工前由測量工程師放出溝槽上口開挖邊線，在溝槽兩端設(shè)置開挖的兩端打樁做醒目標(biāo)記；推土機依照溝槽開挖線進行表土的清理施工，開挖溝槽。

溝槽開挖采用跳格法，依照劃分的施工段進行溝槽開挖。

挖泥船將高壓水槍噴射出的水柱沖起的淤泥（或細沙等）在水泵的作用下由排砂管道輸送到土方堆存區(qū)域，采用2 m3挖掘機進行堆土。

將開挖的表層土堆放在河流的迎水面一側(cè)，在堆土的過程中，按照上述圍堰標(biāo)準(zhǔn)修筑施工圍堰。因河水已經(jīng)通過導(dǎo)流明渠排往下游側(cè)，此圍堰作為施工安全防護措施存在。

5 結(jié)語

該工程按上述方案實施施工與降排水，2014年2月成功截流，2014年11月完成土方開挖112萬m3、降水井840眼、管道安裝10 068 m、混凝土澆筑9.7萬m3等主要建設(shè)任務(wù)，成功實現(xiàn)了遼河穿越施工，并壓縮工期4個月，節(jié)約工程投資約300萬元。

通過對遼河穿越工程實例的介紹與分析，得出以下結(jié)論：

1）河流穿越工程是線性工程的關(guān)鍵工作；施工導(dǎo)流與施工期降排水是河流穿越工程的關(guān)鍵工作；粉細砂類地質(zhì)條件適合井點降水，在理論計算基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗，合理確定降水井參數(shù)，實踐效果非常好，主河床內(nèi)能夠全部實現(xiàn)干地施工。

2）溝槽開挖采用反鏟挖掘機與挖泥船相結(jié)合，在保證效率的同時，提高了經(jīng)濟性，使工程成本大幅降低，值得系統(tǒng)研究及推廣。

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2016-03-29